考虑非线性影响的网状吊杆拱桥稳定分析

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.240552

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2025, Vol. 53 ›› Issue (8): 111-122.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.240552

考虑非线性影响的网状吊杆拱桥稳定分析

江祖慊¹, 肖汝诚¹, 宋超林¹, 孙斌¹, 王业腾¹, 姜海西²

^1.同济大学土木工程学院，上海 200092
^2.上海城投公路投资（集团）有限公司，上海 200335

收稿日期:2024-11-16 出版日期:2025-08-25 发布日期:2025-03-12
通信作者: 孙斌（1977—），男，博士，副教授，主要从事大跨度桥梁结构理论研究。 E-mail:sunbin@tongji.edu.cn
作者简介:江祖慊（1996—），男，博士生，主要从事大跨度桥梁结构理论研究。E-mail： zuqianjiang@tongji.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金项目(52378185);国家自然科学基金青年科学基金项目(52308196);宁波市交通运输局科技项目;浙江省交通运输厅科技计划项目(2021060);同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司自主课题(2023J-JZ07)

Stability Analysis of the Network Arch Bridge Considering Nonlinear Effects

JIANG Zuqian¹, XIAO Rucheng¹, SONG Chaolin¹, SUN Bin¹, WANG Yeteng¹, JIANG Haixi²

^1.College of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China
^2.Shanghai Chentou Group Corporation，Shanghai 200335，China

Received:2024-11-16 Online:2025-08-25 Published:2025-03-12
Contact: 孙斌（1977—），男，博士，副教授，主要从事大跨度桥梁结构理论研究。 E-mail:sunbin@tongji.edu.cn
About author:江祖慊（1996—），男，博士生，主要从事大跨度桥梁结构理论研究。E-mail： zuqianjiang@tongji.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(52378185)

摘要/Abstract

摘要：

网状吊杆拱桥是以至少两次交叉的倾斜吊杆代替传统竖直吊杆的系杆拱桥体系。交叉布置的网状吊杆可以有效提升传统拱桥的竖向刚度和整体力学性能，因此在桥梁工程领域受到关注。然而，随着拱桥跨径的增加及薄壁钢结构的广泛应用，结构稳定性问题日益突出，特别是以受压为主的钢拱肋失稳风险成为制约其工程应用的关键因素。为系统分析网状吊杆提篮式拱桥的稳定性能，探明不同结构布置参数对结构整体稳定性的影响，该研究综合考虑几何非线性、材料非线性及结构初始缺陷，采用非线性有限元方法建立参数化空间杆系有限元模型，分析了不同吊杆张拉力对整体稳定性的影响；计算了网状吊杆拱桥拱肋关键节点在荷载作用下的位移响应及非线性失稳临界荷载；对比了国内外规范与非线性有限元方法计算结果的差异；并研究了不同矢跨比、拱肋倾角及吊杆倾角对网状吊杆拱桥稳定性的影响规律。研究结果表明，吊杆索力的改变对网状吊杆拱桥整体稳定性能影响不大；基于规范方法所得的网状吊杆拱桥拱肋的极限承载力计算结果较非线性有限元方法更为保守；网状吊杆拱桥的侧向整体稳定性随矢跨比和拱肋倾角的增加而提高，随吊杆倾角的增加先上升后下降；网状吊杆拱桥吊杆倾角设置在50°~60°左右时侧向稳定性能较好。

关键词: 网状吊杆拱桥, 非线性有限元, 整体稳定, 矢跨比, 拱肋倾角, 吊杆倾角

Abstract:

A networked suspension cable arch bridge is a type of truss arch bridge system where at least two inclined suspension cables intersect, replacing the traditional vertical suspension cables. The cross-arranged networked suspension cables can effectively enhance the vertical stiffness and overall mechanical performance of traditional arch bridges, which has attracted attention in the field of bridge engineering. However, with the increasing span of arch bridges and the widespread use of thin-walled steel structures, structural stability issues have become more prominent. In particular, the risk of instability in steel arch ribs, which are primarily under compression, has become a key factor limiting its engineering application. To systematically analyze the stability performance of a networked suspension cable arch bridge and to explore the impact of different structural arrangement parameters on the overall stability of the structure, this study comprehensively considered geometric nonlinearity, material nonlinearity, and structural initial defects. A parametric spatial bar finite element model was established using nonlinear finite element methods to analyze the effects of varying cable tension forces on the overall stability. The displacement response and nonlinear instability critical load of key nodes on the arch ribs under load were calculated. The results from national and international standards were compared with those obtained using nonlinear finite element methods. Additionally, the study investigated the influence of different rise-to-span ratios, arch rib inclination angles, and cable inclination angles on the stability of the networked suspension cable arch bridge. Results show that variations in the suspension cable tension have little impact on the overall stability of the networked suspension cable arch bridge. The ultimate capacity of arch ribs based on standard methods is more conservative than that obtained through the nonlinear finite element method.The lateral overall stability of network arch bridges improves with increasing rise-to-span ratio and arch rib inclination, while it first increases and then decreases with the increase in cable inclination angle. The lateral stability performance of the bridge is optimal when the cable inclination angle is set between 50°and 60°.

Key words: network arch bridge, nonlinear finite element, stability, rise-to-span ratio, arch rib inclination, cable inclination

中图分类号:

江祖慊, 肖汝诚, 宋超林, 孙斌, 王业腾, 姜海西. 考虑非线性影响的网状吊杆拱桥稳定分析[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2025, 53(8): 111-122.

JIANG Zuqian, XIAO Rucheng, SONG Chaolin, SUN Bin, WANG Yeteng, JIANG Haixi. Stability Analysis of the Network Arch Bridge Considering Nonlinear Effects[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2025, 53(8): 111-122.

图/表 20

图1

图2

图3

表1

图4

图5

图6

图7

图8

图9

表2

表3

表4

图10

表5

图11

图12

表6

图13

图14

参考文献 27

[1]	肖汝诚．桥梁结构体系［M］．北京：人民交通出版社，2013.
[2]	DANCIU A D， GUTIU S I， MOGA C，et al ．A review of the network arch bridge［J］．Applied Sciences-Basel，2023，13（19）：10966/1-27.
[3]	FEDIN K V， GRITSENKO A A， GROMYKO P V ．Diagnostics of the stability state of the bugrinsky bridge by acoustic noise method［J］．Processes in GeoMedia，2023，6：33-41.
[4]	汤虎，王伟，路辉，等．济南齐鲁黄河大桥420 m网状吊杆系杆拱桥主拱设计［J］．桥梁建设，2022，52（4）：117-124.
	TANG Hu， WANG Wei， LU Hui，et al ．Design of arch ribs of 420 m-span network arch main bridge of qilu huanghe river bridge in Jinan［J］．Bridge Construction，2022，52（4）：117-124.
[5]	吴丽丽，于雅倩，吕步凡．波形钢腹板支架拱结构的局部稳定性能［J］．华南理工大学学报（自然科学版），2019，47（10）：93-104.
	WU Lili， YU Yaqian， Bufan LÜ ．Local stability performance of arch components of underground supporting structure with corrugated steel webs［J］．Journal of South China University of Technology （Natural Science Edition），2019，47（10）：93-104.
[6]	张毅，李正良，刘红军，等．特高压输电塔不等边角钢交叉斜材的承载力［J］．华南理工大学学报（自然科学版），2019，47（7）：19-31.
	ZHANG Yi， LI Zhengliang， LIU Hongjun，et al ．Study on the stability bearing capacity of unequal angle cross bracing of ultra-high voltage transmission tower［J］．Journal of South China University of Technology （Natural Science Edition），2019，47（7）：19-31.
[7]	薛峰，荆克林，段书龙，等．公路网状吊杆拱桥极限承载力研究［J］．公路，2022，67（6）：164-168.
	XUE Feng， JING Kelin， DUAN Shulong，et al ．Research on the ultimate bearing capacity of highway mesh suspension arch bridge［J］．Highway，2022，67（6）：164-168.
[8]	PAN W H， ZHAO C H， WANG C M，et al ．Optimal bracing system design for funicular twin arches against out-of-plane buckling［J］．Engineering Structures，2024，301：1-12.
[9]	JIANG Z， XIAO R， SONG C，et al ．An analytical method for out-of-plane stability assessment of network arch bridges［J］．Thin-Walled Structures，2024，204：1-17.
[10]	郝天之，李春华，杨涛，等．索-悬链线拱联合结构的受力机理与力学特征［J］．华南理工大学学报（自然科学版），2024，52（8）：89-102.
	HAO Tianzhi， LI Chunhua， YANG Tao，et al ．Mechanism and mechanical characteristics of cable-catenary arch combined structure［J］．Journal of South China University of Technology （Natural Science Edition），2024，52（8）：89-102.
[11]	LAI Y， Li Y， HUANG M，et al ．Conceptual design of long span steel-UHPC composite network arch bridge［J］．Engineering structures，2023，277：1-19.
[12]	WERONIKA O A， ARNE M K ．Network arch timber bridges with light timber decks and spoked configuration of hangers-parametric study［J］．Engineering Structures，2022，253：1-10.
[13]	曹鑫科．大跨度网状吊杆拱桥力学性能及结构参数优化研究［D］．西安：长安大学，2022.
[14]	钢结构设计标准：［S］．
[15]	公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范：［S］．
[16]	Eurocode 3：Design of steel structures （Part 2：Steel bridges）：UNE—EN 1993-2-2013 ［S］．
[17]	刘星星．网状吊杆拱桥力学行为及极限承载能力研究［D］．武汉：华中科技大学，2019.
[18]	曾顺得．700m跨钢管混凝土拱桥稳定性研究［D］．重庆：重庆交通大学，2023.
[19]	康洪滔．大跨径提篮式钢桁架拱桥非线性稳定研究［D］．重庆：重庆交通大学，2024.
[20]	LONETTI P， PASCUZZO A ．A practical method for the elastic buckling design of network arch bridges［J］．International Journal of Steel Structures，2020，20（1）：311-329.
[21]	黄云，张清华，叶华文，等．钢管混凝土系杆拱桥空间稳定性分析［J］．桥梁建设，2014，44（4）：50-56.
	HUANG Yun， ZHANG Qinghua， YE Huawen，et al ．Analysis of spatial stability of a CFST tied arch bridge［J］．Bridge Construction，2014，44（4）：50-56.
[22]	卜一之，赵雷，李乔．苏通长江大桥结构非线性稳定性研究［J］．土木工程学报，2013，46（1）：84-91.
	PU Yizhi， ZHAO Lei， LI Qiao ．Structural nonlinear stability analysis of Sutong Yangtze river bridge［J］．China Civil Engineering Journal，2013，46（1）：84-91.
[23]	程进，江见鲸，肖汝诚，等．大跨度拱桥极限承载力的参数研究［J］．中国公路学报，2003，16（2）：45-47.
	CHENG Jin， JIANG Jianjing， XIAO Rucheng，et al ．Parametric study of ultimate capacity of long-span arch bridges［J］．China Journal of Highway and Transport，2003，16（2）：45-47.
[24]	梁岩，罗小勇，欧娅．大跨径拱桥轴线横向偏差对结构的影响［J］．公路交通科技，2013，30（8）：92-95.
	LIANG Yan， LUO Xiaoyong， Ya OU ．Impact of transverse axis deviation on structure of long-span arch bridge［J］．Journal of Highway and Transportation Research and Development，2013，30（8）：92-95.
[25]	TVEIT P ．How to design economical network arches［J］．IOP Conference Series：Materials Science and Engineering，2019，471（5）：052078/1-11.
[26]	WANG W， LIN Y， CHEN K ．Evaluation of criteria for out-of-plane stability of steel arch bridges in major design codes by FE analysis［J］．Applied Sciences-Basel，2022，12（24）：12632/1-21.
[27]	COSTA B M ．Design and analysis of a network arch bridge［D］．Lisboa：Instituto Superior Técnico，University of Lisbon，2013.

构件名称	构件尺寸/mm	弹性模量/GPa	截面面积/mm²	抗弯惯性矩I_z /10¹¹mm⁴	抗弯惯性矩I_y /10¹¹mm⁴
拱肋	b = 1 500 h = 2 000	206	2.98×10⁵	1.05	1.61
系梁	b = 1 500 h = 2 000	206	3.12×10⁵	1.17	1.65
风撑	b = 1 500 h = 1 982	206	2.27×10⁵	0.81	1.25
吊杆	ϕ7~61	206	2 348

评估方法	拱肋极限承载力N_u /10⁴ kN	拱肋安全系数^1）
中国规范	4.74	1.85
欧洲规范	5.12	2.01
非线性有限元	8.62	3.38

设计参数	符号/单位	最大值	最小值
矢跨比	f /l	0.10	0.21
吊杆倾角	α/（°）	40	90
拱肋倾角	θ/（°）	0	10

矢跨比	屈曲特征值	活载系数	运营阶段轴力^1）/kN	失稳临界荷载/kN	稳定系数
0.10	6.50	15.76	41 757.65	284 287.80	3.75
0.13	8.02	19.06	33 868.99	330 979.80	4.37
0.16	9.30	22.36	29 255.33	377 697.80	4.98
0.18	10.32	25.64	25 533.57	424 156.20	5.58
0.21	10.75	28.90	22 778.91	470 354.00	6.18

拱肋倾角/（°）	屈曲特征值	活载系数	运营阶段轴力/kN	失稳临界荷载/kN	稳定系数
0	8.93	25.61	25 546.21	423 732.30	5.58
2	9.28	25.80	25 495.43	426 445.26	5.61
4	9.63	25.99	25 476.21	429 158.22	5.65
6	9.97	26.19	25 488.78	431 871.18	5.68
8	10.32	26.38	25 533.57	434 584.14	5.72
10	10.65	26.57	25 611.17	437 297.10	5.75

考虑非线性影响的网状吊杆拱桥稳定分析

Stability Analysis of the Network Arch Bridge Considering Nonlinear Effects

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 20

参考文献 27

相关文章 8

编辑推荐

Metrics

本文评价

吊杆倾角/（°）	屈曲特征值	活载系数	运营阶段轴力/kN	失稳临界荷载/kN	稳定系数
40	9.59	22.43	27 825.70	378 798.90	4.98
50	10.22	25.66	26 562.69	424 438.80	5.59
60	10.32	25.64	25 533.57	424 156.20	5.58
70	10.14	25.62	24 967.38	423 873.60	5.58
80	9.61	25.61	24 951.10	423 732.30	5.58
90	9.06	25.60	24 904.14	423 591.00	5.57

[1]	郝天之, 李春华, 杨涛, 等. 索-悬链线拱联合结构的受力机理与力学特征[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(8): 89-102.
[2]	魏德敏涂家明. 单层网壳结构非线性稳定的随机缺陷模态法研究[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2016, 44(7): 83-89.
[3]	潘放郭馨艳. 公路桥梁深水高桩基础水平抗撞击力的非线性有限元分析[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2010, 38(3): 8-11，24.
[4]	黄晓明许涛黄成造 . 级配碎石动态力学性能对隧道路面受力的影响[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2009, 37(2): 92-97.
[5]	邓军李师庆黄培彦. CFRP板加固钢-混凝土组合梁的非线性有限元分析[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2008, 36(6): 35-39.
[6]	郭永昌李丽娟邓军刘锋. CFS/ AFS 混杂加固RC 梁非线性有限元分析[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2007, 35(7): 6-9,36.
[7]	郭永昌黄培彦李丽娟刘锋. CFS/GFS 混杂加固RC 梁界面应力的参数化分析[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2007, 35(11): 22-23.
[8]	丁剑平贾德民黄小清. 三维非线性有限元法在子午胎分析中的应用[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2005, 33(9): 55-58.